هر روز مایلار به یک عایق امیدوار کننده برای زیستگاه های قمری تبدیل شد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ایجاد یک حضور طولانی مدت در ماه مستلزم حل چالش هایی است که به راحتی می توان آنها را در زمین نادیده گرفت. به عنوان مثال، دمای ماه می تواند از صدها درجه زیر صفر تا جوش متفاوت باشد و عایق کاری موثر برای زیستگاه های ماه ضروری است.

اما بسیاری از موادی که در کاهش سرعت انتقال حرارت عالی هستند، به گونه‌ای طراحی نشده‌اند که در برابر ضربه‌ها، فشرده‌سازی و جابجایی‌های مکرر که احتمالا با ساخت و نگهداری زیرساخت‌ها در ماه به وجود می‌آیند، مقاومت کنند.

اکنون، مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا در حال بررسی یک جایگزین ساده شگفت‌آور هستند: روی هم قرار دادن صدها ورقه مایلار، همان پلاستیک سبک وزن که به عنوان بسته‌بندی غذای خانگی استفاده می‌شود و وقتی با آلومینیوم پوشانده می‌شود، پتوهای براق اضطراری که پس از ماراتن‌ها برای حفظ گرمای بدن دوندگان توزیع می‌شود.

در مقاله جدیدی در ACS Applied Materials & Interfaces، تیم روش جدیدی را برای مونتاژ فیلم توصیف می‌کند که آن را پشته‌های لایه‌ای عایق ترکیبی (HyLIFS) می‌نامند، و دو ویژگی را که به ندرت همزمان اتفاق می‌افتند، می‌پیوندند: عایق حرارتی قوی و دوام مکانیکی.

نویسنده ارشد، ایگور بارگاتین، دانشیار مهندسی مکانیک و مکانیک کاربردی (MEAM) می‌گوید: «این دسته‌های مایلار می‌توانند خم شوند، در برابر فشرده‌سازی قابل توجهی مقاومت کنند و عملکرد عایق خود را حفظ کنند.

اگر این فناوری بتواند از آزمایشگاه به تولید انبوه برسد، این ماده می‌تواند برای همه چیز، از زیستگاه‌های ماه گرفته تا لباس‌های فضایی و دیگر فناوری‌هایی که باید برای مدت طولانی در خلاء فضا کار کنند، ضروری است.

اولین نویسنده، دانیل آر. لوین، فارغ التحصیل اخیر دکترای شیمی پن، که همچنین مدرک کارشناسی ارشد خود را در MEAM دریافت کرده است، خاطرنشان می کند: «ترکیب استحکام حرارتی و مکانیکی برای استفاده طولانی مدت در ماه حیاتی است. این ماده می‌تواند مسیری را برای عایق ارزان، بادوام و قابل استفاده مجدد در ماه باز کند.

برای عایق طراحی شده برای کار در خلاء، جلوگیری از حرکت گرما در مواد تنها بخشی از چالش است.

برخی از مواد عایق با بهترین عملکرد امروزی بسیار شکننده هستند. به عنوان مثال، آئروژل ها مواد سبک وزنی هستند که عمدتا از فضای خالی تشکیل شده اند. این ساختار آنها را عایق های عالی برای همه چیز از خطوط لوله صنعتی گرفته تا مریخ نوردهای ناسا می کند، اما همچنین می تواند آنها را در برابر آسیب های مکانیکی آسیب پذیر کند.

سایر مواد تا زمانی که فشرده یا آسیب نبینند به خوبی کار می کنند. عایق چندلایه، فناوری دیگری که معمولا در فضا استفاده می شود، متکی بر فیلم های بازتابنده جدا شده توسط اسپیسرهای عایق است. در محدود کردن انتقال حرارت از تشعشع بسیار موثر است اما به گونه ای طراحی نشده است که بارهای قابل توجهی را تحمل کند و به راحتی در هنگام لمس پاره شود.

این یک مبادله اساسی ایجاد می کند: قوی تر کردن یک عایق از نظر مکانیکی می تواند به قیمت عملکرد حرارتی آن تمام شود. بارگاتین می‌گوید: «برای زیرساخت‌های ماه، ما در حالت ایده‌آل هر دو را می‌خواهیم. "ماده ایده آل هم در برابر آسیب و هم در برابر اتلاف گرما مقاوم است."

رویکرد تیم پن با Mylar شروع می‌شود، که به طور رسمی به عنوان پلی اتیلن ترفتالات دو محوره شناخته می‌شود، یا BoPET، یک پلیمر آشنا که قبلا به طور گسترده در کاربردهای هوافضا استفاده می‌شود، و همچنین پتوهایی که به دوندگان ماراتن پس از مسابقه داده می‌شود. هنگامی که مایلار با فلزی مانند آلومینیوم ترکیب می شود، تابش مادون قرمز را مسدود می کند و گرما را به دام می اندازد.

محققان لایه‌های مایلار را با ضخامت‌های مختلف آزمایش کردند و برخی را با یک لایه بسیار نازک از اکسید آلومینیوم، که به نام آلومینا نیز شناخته می‌شود، پوشش دادند تا سفتی را افزایش دهند. سپس فیلم ها را هر بار یک ورق روی هم چیدند. لوین می گوید: «در حال حاضر، این فرآیند بسیار زمان بر است. ما از دو جفت موچین و وزنه‌های کوچک برای نگهداری و چیدن لایه‌های ظریف استفاده می‌کنیم. حتی نفس کشیدن در نزدیکی پشته می‌تواند لایه‌ها را به پرواز درآورد.»

هنگامی که در خلاء آزمایش شد، آن ساختار ساده ماده ای با ترکیبی غیرعادی از خواص تولید کرد. فشرده شدن به روشی که احتمالا در یک زیستگاه قمری که حاوی هوا با فشار اتمسفر در داخل خانه است، فشرده می شود، پشته های با بهترین عملکرد به رسانایی حرارتی قابل مقایسه با سایر فناوری های عایق خلاء با کارایی بالا دست یافتند و در عین حال انعطاف پذیر بودند.

در آزمایش های مکانیکی جداگانه، پشته های پوشش داده شده عملکرد حرارتی خود را حتی تحت بالاترین تنش های فشاری قابل دستیابی با تجهیزات آزمایشگاه حفظ کردند. به عبارت دیگر، محققان مجبور نبودند بین ساختن این ماده یک عایق خوب و دوام آن یکی را انتخاب کنند.

حتی لوین هم انتظار نداشت که فیلم ها اینقدر محکم باشند. محققان بارها و بارها نمونه ها را تا حدود 20 مگا پاسکال فشرده کردند که تقریبا معادل 200 پوند (91 کیلوگرم) روی ناحیه نوک انگشت متمرکز بود. لوین به یاد می آورد: «ما نگران شکست مواد تحت چنین تنش فشاری زیاد بودیم. "اما پشته ها فقط از یک چرخه پر استرس جان سالم به در نبردند - آنها 10 بار متوالی زنده ماندند."

این دوام می تواند یک مزیت عملی مهم فراتر از ماندگاری یک ضربه تصادفی در فضا داشته باشد. هر چیزی که برای ساخت و ساز در ماه مورد نیاز است باید ابتدا به آنجا منتقل شود و انعطاف پذیری و قابلیت استفاده مجدد را ملاحظات مهمی برای زیرساخت های ماه قرار دهد.

بارگاتین می‌گوید: «شما می‌توانید از این پشته‌ها برای عایق‌سازی یک سکونتگاه در ماه استفاده کنید، اما فضانوردان به ناچار تصادفات کوچکی در برخورد با آنها خواهند داشت.» هنگامی که ما در مورد سکونت طولانی مدت در ماه صحبت می کنیم، داشتن مواد سختی که می توانند به اندازه کافی دوام بیاورند بسیار مهم است.

این مطالعه همچنین نشان داد که یک ویژگی نادیده گرفته شده از Mylar تجاری می تواند برای درک نحوه عملکرد این پشته ها نقش اساسی داشته باشد.

لایه های پلاستیکی بسیار نازک تمایل دارند به خود و سایر سطوح بچسبند و ساخت و جابجایی آنها را دشوار می کند. برای جلوگیری از آن، سازندگان ذرات میکروسکوپی "ضد انسداد" را در مواد ترکیب می کنند. این ذرات کمی از سطح بیرون زده و به چسبیدن لایه های مجاور به هم کمک می کنند.

وجود و هدف صنعتی این ذرات از قبل مشخص بود. به گفته محققان، آنچه کمتر مورد توجه قرار گرفته بود، نقش ذرات در انتقال گرما از طریق لایه‌های مایلار بود.

از آنجایی که عایق چند لایه معمولی عمدتا برای محدود کردن انتقال حرارت تشعشعی طراحی شده است، دلیل کمتری برای بررسی اینکه آیا این ذرات ریز مسیرهای انتقال حرارت رسانا بین صفحات را محدود می کنند وجود دارد.

برای بررسی این احتمال، محققان مدل‌هایی از انتقال گرما را در سطح مشترک بین صفحات توسعه دادند و مدل‌ها را با داده‌های تجربی مقایسه کردند. نتایج آنها نشان می‌دهد که در خلاء، گرما عمدتا از یک صفحه به صفحه دیگر در نقاط میکروسکوپی که ذرات ضد انسداد لایه‌های مجاور را لمس می‌کنند، عبور می‌کند.

این بینش می تواند به طراحی عایق بهتر کمک کند: به جای اینکه ذرات را صرفا به عنوان یک ویژگی اجتناب ناپذیر مایلار تجاری در نظر بگیریم، مواد آینده می توانند به طور بالقوه با اندازه، تعداد و توزیع ذرات به طور خاص برای کنترل انتقال حرارت مهندسی شوند.

این ذرات همچنین به محققان کمک کردند تا یکی از نتایج غیرمعمول‌تر مطالعه را درک کنند.

در ابتدا، تیم انتظار داشت که نازک ترین لایه ها بهترین عایق را ارائه دهند. لایه‌های نازک‌تر اجازه می‌دهند که لایه‌های بیشتری، و بنابراین رابط‌های بیشتری که انتقال حرارت را محدود می‌کنند، در همان فضا قرار گیرند.

در عوض، نازک‌ترین فیلم‌های تیم و فیلم‌های با ضخامت متوسط ​​زمانی که با آلومینا پوشانده می‌شوند، عملکرد مشابهی داشتند.

محققان بر این باورند که دلیل آن تا حدی در آن ذرات ضد انسداد در لایه‌های نازک‌تر است که تماس بیشتری بین لایه‌های مجاور و مسیرهای اضافی برای جریان گرما ایجاد می‌کند.

این بدان معناست که بهینه سازی عایق پیچیده تر از نازک کردن هر لایه است. لوین می گوید: با فشرده سازی لایه ها، منظره تماس تغییر می کند. این فقط به حداقل رساندن ضخامت لایه یا تعداد ذرات نیست، بلکه باید نحوه تغییر کنتاکت ها و تغییر شکل لایه ها با افزایش فشار را نیز در نظر بگیریم.

به طور خلاصه، ضخامت لایه، سفتی و توزیع ذرات جاسازی شده همگی بر عملکرد حرارتی تأثیر می‌گذارند.

در حال حاضر، نمونه های HyLIFS کوچک هستند، حدود یک سانتی متر مربع مساحت دارند، و تولید آنها زمان بر است و برش دستی و چیدن آنها ساعت ها طول می کشد.

مقیاس بندی این فرآیند به اندازه ورق های متری مورد نیاز برای عایق بندی عملی در نهایت به رویکرد متفاوتی نیاز دارد، اما محققان به تکنیک های تولیدی مانند پوشش مداوم رول های بزرگ Mylar اشاره می کنند که می تواند کافی باشد.

در نهایت، ممکن است بتوان ضخامت فیلم، پوشش و توزیع ذرات ضد انسداد را قبل از پیچاندن مواد به پشته‌های بزرگ تنظیم کرد.

سوالاتی در مورد نحوه رفتار فیلم ها در این مقیاس های بزرگتر باقی می ماند، از جمله اینکه آیا می توانند در چرخه های خمش متعدد و همچنین برآمدگی ها و خراش های کاربردهای واقعی جان سالم به در ببرند یا خیر. اما اگر ویژگی‌های مقیاس کوچک فیلم‌ها حفظ شود، این ماده می‌تواند به عنوان عایق انعطاف‌پذیر در زیستگاه‌های قمری، مریخ نوردها، سیستم‌های الکترونیکی و غیره ارزشمند باشد.

برای لوین، این کار نشان می‌دهد که هنوز چقدر می‌توان از موادی آموخت که مهندسان فکر می‌کنند خوب می‌دانند. او می‌گوید: «ساده‌ترین پیکربندی در نهایت بهترین بود.

دانیل آر. لوین و همکاران، پشته‌های فیلم عایق حرارتی لایه‌ای قوی برای کاربردهای خلاء، مواد و رابط‌های کاربردی ACS (2026). DOI: 10.1021/acsami.6c09126

اطلاعات مجله: ACS Applied Materials and Interfaces

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →